光电效应光子教学设计

    “光电效应光子”教学设计     浙江宁波效实中学 杨继林 沈晨      
    【教材】全日制普通高级中学教科书·物理第三册(必修加选修)第二十二章第一节。
    【教学时间】一课时。
    【教学目标】
    1.知识与技能
    ●了解并识别光电效应现象。
    ●能表述光电效应现象的规律。
    ●了解光子的概念,会用光子说解释光电效应现象的规律。
    ●理解光电效应方程。
    ●粗略了解光电效应研究史实。
    2.过程与方法
    ●观察赫兹实验中的放电现象,体验发现的过程。
    ●经历“探究光电效应规律”的过程,获得探究活动的体验。
    ●尝试发现波动理论面对光电效应规律遇到的困难。
    ●领略“观察、实验──提出假说──实验验证──新的假说……”的物理学研究方法。
    3.情感态度与价值观
    ●体验探究自然规律的艰辛与喜悦。
    ●陶冶崇尚科学、仰慕科学家,欣赏物理学的奇妙与和谐的情愫。
    ●学习科学家敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神,培养判断有关信息是否科学的意识。
    【教学用具】
    1.实验装置 赫兹实验装置;光电效应现象演示装置。
    2.多媒体课件;资料文字;赫兹实验装置示意动画;研究光电效应实验示意动画;光电效应的波动说描述与光子说描述动画;密立根证实光电方程实验示意动画;普朗克、爱因斯坦、密立根资料图片动画;
    【设计理念】本课教材蕴含着十分丰富的教学内容:在知识方面,本课作为后牛顿物理两大支柱之一──量子理论的入门,涉及量子物理最基础的内容,同时,还有着厚重的物理学科文化积淀,有物理学史、科学方法、辩证唯物主义思想、创新意识等人文精神教育的题材。教材在知识陈述上较为浅显直接,而关于这些知识的“背景”,则是相当丰满、承赋人文,为实施“科学的人文教育价值”提供了很大的空间。基于教材特点,本教案设计“以人为本”,突出从赫兹发现光电效应,勒纳德研究光电效应规律,爱因斯坦提出光子说解释光电效应规律,到密立根实验验证光电效应方程,物理学家们上下求索三十年的历程,在让学生学到量子论基础知识与基本技能、发展微观思维方法的同时,获得物理课程文化的浸润与陶冶,体现物理教育在个性品质、好奇求知、质疑创新、科学美及责任心等方面的价值导向。
    本课总体设计思想是:课堂教学以光电效应三十年精彩历程为线索,通过充分展示围绕“光电效应”所发生的发现现象、研究规律、提出假说、实验验证这样一个科学发现过程,在科学过程展示中推出学科知识,渗透科学思想方法,借助多媒体课件播放、实验装置重现现象及教师解说,着力于撼动青年学生崇尚科学的情感,弘扬深厚的物理课程文化。
    【教学过程】全课以下列四个标题作引导,按历史的发展顺序展开教学活动。
    (动画显示课题后,教师引入主题)
    引入 本课要学习的光电效应,在量子理论的发展中有着特殊的意义。人类对光的本性的认识,到麦克斯韦提出光是一种电磁波,光的波动说似乎已完美无缺了。然而,就是在证实电磁波存在的过程中,人们发现了光具有粒子性的重大事实,这就是光电效应现象。光电效应及其规律的研究,使人类对物质世界的观念发生了变革:大自然在微观层次上是不连续的,即“量子化”的,而不是牛顿物理假设的在一切层次上都是连续的!光电效应最先由赫兹发现,他的学生勒纳德对光电效应的研究卓有成效并获1905年诺贝尔物理学奖,爱因斯坦提出光子论从理论上成功解决了光电效应面临的难题并因此获1921年诺贝尔物理学奖,美国物理学家密立根通过精确实验证实了爱因斯坦的理论,并获1923年诺贝尔物理学奖。光电效应的科学之光经众多物理学家前赴后继,三十年努力求索,在物理学史上成为绚丽夺目的篇章。让我们翻开这炫目的一页,沐浴科学的阳光吧!
    (屏幕切换显示四个标题)
    一、赫兹意外发现光电效应
    介绍赫兹实验 动画显示赫兹实验示意图如图1所示。1885年,赫兹用如图1所示的装置来证实电磁波的存在:电磁波发生器是在两根铜棒上各焊接一个磨光的黄铜球,另一端各连接一块正方形锌板,它们共轴放置,两球间留有一空隙,它们相当于一个电容器,与感应圈连接,构成了LC电路,感应圈使两黄铜球聚集大量电荷,从而在空隙间产生电火花,形成高频振荡电流,辐射高频电磁波。与这个回路相距一定距离有电磁波接收器,是用一根粗铜导线弯成一开口的圆环,开口端各焊一黄铜球,之间有可作微调的空隙,这个接收器实际上也是一个LC电路。调节间隙改变接收电路的固有频率可与发射过来的电磁波产生共振,从而在接收器的空隙间观察到电火花。
    演示赫兹电火花实验 实验装置如图2所示(实景数码照片)
    介绍赫兹的发现并演示 利用电火花实验装置,赫兹测量了电磁波速、进行了研究电磁波的反射、聚焦、折射、衍射、干涉、偏振等各种波现象的实验,大量反复地实验不但证实了麦克斯韦电磁波理论,同时意外地发现了表明光具有粒子性的一个重要现象:当发射器间隙的火光被阻隔时,原来接收间隙的火花变暗(如图3所示),而用其他任何火花的光照射到接收器铜球,也能促使间隙发生电火花,进一步研究发现这一现象中直接起作用的是火光中的紫外线,当火花的光照到间隙的负极时,作用最强,这种情况下接收器间隙发生的电火花实际上是紫外线的照射使一极铜球上飞出电子到另一极铜球所形成,赫兹称之为“紫外光对放电现象的效应”,也就是光电效应。
    演示光电效应现象 动画显示光电效应演示仪原理如图4所示,课堂演示,引导学生观察在紫外线照射下,电流计指示电路中出现了电流。
    归纳什么是光电效应
    (文字显示)
    在光的照射下物体发射电子的现象,叫做光电效应,发射出来的电子叫做光电子。
    二、勒纳德研究光电效应现象的规律
    引入 赫兹的发现吸引了许多人去深入研究光电

效应成因与规律,其中德国物理学家、赫兹的助手勒纳德的研究卓有成效。对光电效应的研究方向就是弄清其发生的条件。
    介绍勒纳德实验研究原理 动画显示勒纳德研究光电效应规律的实验装置如图5所示。当入射光照射到光洁的金属阴极K表面,就有光电子发射出来,若有光电子到达阳极A,电路中就有电流,所以可通过电流计了解用各种光照射阴极K以及对两极加不同电压时的光电流,从中摸索规律。
    介绍勒纳德实验研究结果 勒纳德通过实验总结出光电效应现象的重要规律:
    (文字显示)
    1.对各种金属都存在着极限频率和极限波长,低于极限频率的任何入射光强度再大、照射时间再长都不会发生光电效应。
    2.光电子的最大初动能与入射光的强度无关,只随入射光频率的增大而增大。
    3.只要入射光频率高于金属的极限频率,照到金属表面时光电子的发射几乎是瞬时的,不超过10-9s。
    4.发生光电效应时,光电流的强度与入射光的强度成正比。
    光电效应规律性的演示 用如图4所示的光电效应演示仪演示(1)用红光、蓝光照射锌板时,不会产生光电流;(2)用玻璃隔断紫外线时,光电流消失;(3)光电流达到饱和后,改变电压,光电流不变,改变入射光强度,光电流增大。
    设问 1.用光的电磁波理论如何解释光电效应的发生?
    2.波动理论可以解释光电效应发生时的规律吗?
    讨论与总结 请全班同学议论,由学生尝试定性解释光电效应后,教师概括辅以如图6所示动画显示:光到达金属表面时,连续的电磁波能量分布在其表面,振动的电磁场不断地“摇晃”金属表面的电子,一些结合最松散的电子被摇下来。
    由学生提出现有理论与观察事实的矛盾后,教师整理为两大困难,并以文字显示。
    矛盾
    波动理论解释
    实验事实
    之一
    之二
    到达金属表面的光能量连续地分布,对某个电子只能吸收其中很少一部分,应有一段时间积累到足够的能量方能从金属表面挣脱。
    光波的振幅表征光能量大小,强光对金属作用足够长时间,有足够能量应该可以使电子从金属表面挣脱。
    光电效应是否产生存在极限频率(波长)而与光强无关,光电子最大初动能也只与入射光频率成正相关。
    若能发生光电效应,即使光很弱,也是瞬间发生的
    三、爱因斯坦提出光子论圆满解释
    引入 观察与理论的互动就是科学,观察是科学进程的开端,观察激发思考导致理论以解释观察结果,而理论又在新的观察中受到检验、引发新的理论,对观察结果进行解释或统一。
    原来的电磁波理论与光电效应的实验事实不相符合,促使人们改变认识,构建新的思想框架来解释观察结果。1905年,爱因斯坦用突破性的量子化思想对光电效应做出了现在为科学界普遍接受的解释。
    介绍爱因斯坦光量子假说教师介绍普朗克对电磁波辐射所作的量子化假设:振动物体的能量只能取特定的一组允许值。这种思想在当时并没有引起人们多少注意,但爱因斯坦敏锐地捕捉了这一思想闪光,并彻底贯穿到光的辐射与吸收问题中。
    教师介绍光子说,并显示文字内容:
    在空间传播的光(的能量)不是连续的,而是一份一份的,每一份叫做一个光量子,简称光子,一份光子的能量E=hv。
    用光子说对光电效应规律作解释 用如图7所示动画辅助描述光子说下的光电效应:光子像下雨一样落在金属表面上,打出电子,就像机枪子弹从混凝土墙上打下混凝土块一样。
    解释极限频率的存在;
    解释光电效应的瞬时性;
    给出逸出功概念,用光电效应方程(屏幕展示)解释光电子最大初动能只与入射光频率正相关;
    解释光电流的强度与入射光的强度成正比。
    小结 在爱因斯坦提出光子模型后,用来解释光电效应变得出奇地简单明了,今天,我们中学生运用光电方程计算光电效应已不是什么难题,但在上个世纪初,科学家对量子化的物理却极不适应,爱因斯坦的独创性、物理洞察力和对简洁解释的追求使他在忙碌的1905年发表了相对论,成功解释了光电效应,建树起近代物理学研究的两座丰碑。
    四、密立根精确实验证实光电效应方程
    引入 至此,研究光电效应的科学活动并未完成,爱因斯坦的光子假设与光电方程作为假说──一种有根据的猜测,一种尝试性的未经确认的看法,要上升为理论,要为人们认同──当时对这一假说的怀疑超过了狭义相对论,甚至包括普朗克本人也持反对态度,还必须经受实验的检验。许多物理学家都想方设法用实验测量普朗克恒量h,验证光电效应方程。
    简介密立根的工作 一直对光子假设持有保留的美国物理学家密立根,设计了高精确度的实验装置如图8所示,经过十年的试验,不断解决一些技术难点,终于验证了光电方程的直线性,并测出普朗克恒量h=6.56×10-34j·s,在事实面前,密立根服从真理

《光电效应光子教学设计》